Mobile Geräte wie Handys, Laptops oder Kameras brauchen Strom – egal, wo und wie lange. Mini-Brennstoffzellen verbessern die Energieversorgung. Dr.-Ing. Robert Hahn vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat ein Mikrobrennstoffzellensystem entwickelt, das nur wenige Kubikzentimeter groß ist und eine deutlich höhere Energiedichte als Batterien besitzt. Diese Arbeiten wurden mit dem f-cell award 2005 in Bronze ausgezeichnet.
 
Der Preis ist gestiftet von der DaimlerCrysler AG und dem Land Baden-Württemberg. Die Brennstoffzellentechnologie gilt laut IZM als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Denn Brennstoffzellen erzeugen nahezu verlustfrei aus chemischer Energie Strom und Wärme. Die Eigenschaften seien überragend: Brennstofzellen arbeiten effizient und sauber, sind modular und erweiterbar. Brennstoffzellen gibt es für stationäre Kraftwerke und für den mobilen Einsatz.

Betriebszeit tragbarer Elektronikgeräte um den Faktor 5 bis 10 gesteigert

Mikrobrennstoffzellen zielen auf den Markt der Handys und Kleingeräte. Weltweit wird an ihrer Entwicklung gearbeitet. Sie sollen Batterien ersetzen und die Energieversorgung portabler Elektronikgeräte und autonomer Mikrosysteme sicherstellen, etwa für drahtlos vernetzte Sensoren wie die „eGrains“, am Körper tragbare Elektronik oder medizintechnische Mikrosysteme. „Mit Mikrobrennstoffzellen ist eine Erhöhung der Energiedichte und damit der Betriebszeit um den Faktor 5 bis 10 erreichbar“, erklärt Dr.-Ing. Robert Hahn, Gruppenleiter am IZM. Er koordinierte die Entwicklung der Mikrobrennstoffzelle.

Neue Wege zur kostengünstigen Herstellung

Die am IZM entwickelte Technologie basiert auf Waferlevel- und Folientechnologien und ist durch mehrere Patentanmeldungen geschützt. Obwohl Silizium-Wafer als Trägersubstrate während der Herstellung eingesetzt werden, bestehe die Mikrobrennstoffzelle aus Polymer- und Metallfolien. Mit den industriell erprobten Verfahren lassen sich laut IZM Wege zur kostengünstigen Herstellung erschließen, etwa das „Rolle-zu-Rolle-Verfahren“. „Die von uns entwickelte planare Mikrobrennstoffzelle ist aus drei Komponenten aufgebaut“, erklärt Dr. Hahn. „Ein mikrostrukturiertes Flowfield, das ist sozusagen die untere Folie auf der Anodenseite, dient dazu, den Brennstoff heranzuführen und zu verteilen. Gleichzeitig leitet sie den Strom ab. Eine perforierte und ebenfalls mikrostrukturierte Stromableiterfolie regelt den Gasaustausch auf der Kathodenseite sowie dort die Stromableitung.“ Zwischen die beiden Folien wird eine kommerzielle Membran-Elektroden-Einheit (MEA) eingesetzt. Sie ist in isolierte Bereiche unterteilt, für nebeneinander liegende Zellen. Durch die Mikrostrukturierung der Stromableiter kann auf weitere Gasdiffusionsschichten verzichtet werden. Die Abdichtung und Kontaktierung erfolgt mit Siebdruck- und Dispensiertechniken.

Mini-Brennstoffzelle ersetzt herkömmliche Knopfzellen

Vorführmodelle der planaren, Luft atmenden PEM-Brennstoffzelle sind etwa einen Quadratzentimeter groß und liefern im Dauerbetrieb mit Wasserstoff stabil eine Leistungsdichte von 80 Milliwatt pro Quadratzentimeter (mW/cm2), bei guten Bedingungen seien es sogar 160 mW/cm2, so das IZM. Dabei sind drei Einzelzellen in Serie geschaltet, um eine Gesamtspannung von 1.5 V zu erzeugen. Das reiche aus, um beispielsweise Knopfzellen zu ersetzen. Durch die verwendeten Folientechnologien lassen sich die Zellen leicht in die Oberfläche elektronischer Geräte integrieren.

29.09.2005   Quelle: Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM   Solarserver.de   © EEM Energy & Environment Media GmbH